plik PDF 2,15MB - Mała elektrownia wiatrowa

jak
to
działa
CZYM JEST WIATR?
Wiatr jest odmian¹ energii s³onecznej. Tak, to nie
pomy³ka. Jest to powietrze w ruchu, wywo³anym nierównomiernym podgrzaniem powierzchni Ziemi przez
s³oñce. Poniewa¿ Ziemia obraca siê, jest okr¹g³a oraz
pokryta morzami, l¹dami, lasami, pustyniami i jeziorami, promieniowanie s³oneczne jest absorbowane nierównomiernie. To z kolei powoduje podnoszenie siê
mas powietrza znad obszarów rozgrzanych i zajmowanie jego miejsca przez powietrze zimniejsze. To samo
zjawisko wystêpuje w skali planety, pomiêdzy równikiem i biegunami, a wiêc wiatr jest wszêdzie.
tego, co twierdz¹ „ciemno zieloni”) oraz wp³yw wizualny na otoczenie. Jednak eleganckie wirniki po³yskuj¹ce
w s³oñcu s¹ ³adniejsze od dymi¹cych kominów i wie¿
ch³odniczych.
RODZAJE
TURBIN WIATROWYCH
Obecnie wystêpuj¹ powszechnie dwa rodzaje
turbin wiatrowych: z osi¹ poziom¹, maj¹ce wirniki
przypominaj¹ce œmig³a lotnicze, oraz z osi¹ pionow¹,
wygl¹daj¹ce jak trzepaczka od miksera do bicia piany.
TURBINY WIATROWE
Marek Utkin
ENERGIA WIATRU DZIŒ
Wspó³czesne wiatraki nosz¹ nazwê turbin wiatrowych i s¹ znacznie efektywniejsze od dawnych. Do
ich budowy wykorzystuje siê zaawansowane technologie materia³owe i aerodynamikê (dziêki wk³adowi m.in.
NASA), aby uzyskaæ jak najwiêksz¹ sprawnoœæ i dzia³anie w szerokim zakresie prêdkoœci wiatru.
Sprawnoœæ elektrowni wiatrowych jest zbli¿ona
do sprawnoœci elektrowni wêglowych - ok. 30%. Zdolnoœæ
wytwórcza elektrowni wiatrowych to 25% (wiatr wieje
optymalnie), elektrowni wêglowych - 75%. Chodzi o to,
¿e na 100 dni elektrownia wiatrowa przepracowuje 25,
ze wzgledu na predkoœæ wiatru, a wêglowa 75 dni, ze
wzglêdu na przestoje w wyniku konserwacji itp. Gdy
jedna turbina wiatrowa wytwarza ok. 275 - 500 tys. kWh
energii elektrycznej rocznie, wystarcza to dla 20 domów.
W USA elektrownie wiatrowe wytwarzaj¹ 3 mld kWh
rocznie (0,12% zapotrzebowania kraju). Cena energii
z elektrowni wiatrowych wynosi 4,5 USc/kWh, z elektrowni wêglowych - 4 USc/kWh (wliczony koszt amortyzacji urz¹dzeñ). Za 30 lat elektrownie wiatrowe powinny
pokrywaæ 10% zapotrzebowania USA.
Energia wiatrowa nie powoduje zanieczyszczenia wody ani powietrza. Jedynym wp³ywem na œrodowisko mo¿e byæ oddzia³ywanie farm wiatrowych na
migracje ptaków (które szybko siê ucz¹, niezale¿nie od
M ŁODY TECHNIK
26
FARMA WIATROWA
Turbiny z osi¹ poziom¹ s¹ stosowane najczêœciej. Stanowi¹ 95% turbin wiatrowych. Typowa turbina
wiatrowa ma wie¿ê o wysokoœci 30 - 40 metrów i dwie
lub trzy ³opaty o œrednicy 20 - 40 m. Istniej¹ tak¿e modele o jednej ³opacie z przeciwwag¹. Najwiêksze turbiny wiatrowe œwiata maj¹ rozpiêtoœæ ³opat wiêksz¹ ni¿
boisko pi³karskie.
Turbiny z osi¹ pionow¹ stanowi¹ ok. 5% turbin
wiatrowych stosowanych obecnie i maj¹ zazwyczaj ok.
30 m wysokoœci i 15 m œrednicy.
KTÓRE LEPSZE?
Ka¿dy model ma swoje wady i zalety. Modele
z osi¹ poziom¹ wymagaj¹ kierowania wirnika na wiatr.
W ma³ych urz¹dzeniach zapewnia to statecznik kierunku, w du¿ych - serwomotor, po³¹czony z procesorem
i czujnikiem kierunku wiatru. Turbiny pionowe dzia³aj¹
niezale¿nie od kierunku wiatru, poza tym to, i¿ s¹ instalowane na ziemi, sprawia, ¿e ich konserwacja i obs³uga jest prostsza i tañsza.
Turbiny wiatrowe s¹ ³¹czone w zespo³y, zwane
farmami wiatrowymi, które zapewniaj¹ odpowiednio
du¿¹ moc, ¿eby kierowaæ pr¹d do sieci. U¿ytkownicy
indywidualni stosuj¹ raczej maszyny pojedyncze.
TURBINY WIATROWE
Z OSI¥ POZIOM¥
( H O R I Z O N TA L A X I S W I N D T U R B I N E S , H AW T )
Wiatrak farmerski
Amerykañski wiatrak farmerski jest dobrym
przyk³adem turbiny wiatrowej o niskiej prêdkoœci obrotowej i wysokim momencie. Mo¿e ³atwo siê ustawiaæ
do kierunku wiatru, poza tym dzia³a przy s³abych wiatrach i jest niezawodny. By³ stosowany przez amerykañskich farmerów, a obecnie - jest ustawiany w wielu
krajach œwiata.
2/2005
TURBINA WIATROWA
Z OSI¥ POZIOM¥
Turbiny wspó³czesne
Wspó³czesne turbiny
wiatrowe z osi¹ poziom¹ wystêpuj¹ w kilku odmianach. Badania amerykañskie prowadzone w latach 1973 - 1981
(zamkniête przez administracjê Reagana) nad modelami:
1-2 kW o wysokiej niezawod- kierunek wiatru
noœci, 4 kW dla ma³ych budynków, 8 i 15 kW dla domów
i us³ug oraz 40 kW dla przedsiêbiorstw i rolnictwa, da³y
w wyniku dostêpne komercyjwirnik
nie ma³e turbiny 1, 3 i 6 kW
oraz trzy³opatowe maszyny
40 - 60 kW, instalowane setkami w farmach wiatrowych.
MINI QUIZ MT
CZYTAM, WIÊC WIEM
nastawny skok
SprawnoϾ to:
a) zdolnoœæ wytwórcza
b) op³yw turbulentny
c) si³a noœna
wa³ niskoobrotowy
przek³adnia
generator
urz¹dzenie steruj¹ce
anemometr
wiatrowskaz
hamulec
obudowa
napêd ustawienia kierunku
wa³ wysokoobrotowy
silnik ustawienia kierunku
wie¿a
Anemometr: Mierzy prędkość
wiatru i przekazuje dane o niej do
sterownika.
Łopaty: Większość turbin ma dwie
lub trzy łopaty.
Hamulec: Hamulec tarczowy, który
może być sterowany mechanicznie,
elektrycznie lub hydraulicznie, aby
zatrzymywać wirnik w razie konieczności.
Sterownik: Sterownik pozwala na
rozpoczęcie pracy maszyny przy
prędkościach od ok. 12 km/h, a wyłącza ją przy ponad 100 km/h. Turbiny nie mogą pracować przy wiatrach
powyżej 100 km/h z powodu wibracji
oraz możliwości przegrzania generatora.
Przekładnia: Przekładnia łączy wał
wolnoobrotowy z wałem szybkoobrotowym i zwiększa prędkość obrotową z ok. 30 - 60 obr./min do
1200 - 1500 obr./min. Przekładnia jest elementem
drogim i prowadzi się
prace nad napędem
bezpośrednim.
Generator: Zazwyczaj typowy generator indukcyjny.
Wał wysokoobrotowy: Napędza
generator.
Wał niskoobrotowy: Wirnik obraca
wał niskoobrotowy.
Obudowa: Stożek wirnika styka się
z gondolą, umieszczoną na czubku
wieży. W gondoli znajduje się przekładnia, wały, generator, sterownik
i hamulec. Niektóre gondole są tak
duże, że technik może w środku stać.
Skok: Łopaty wirnika zmieniają skok,
czyli ustawienie względem wiatru, zapewniając optymalną pracę lub ustawiają się z wiatrem („w chorągiewkę”),
gdy jest zbyt silny.
Wirnik: Zespół łopat i piasty.
Wieża: Wysokość - 20 - 40 metrów. Im
wyższa wieża, tym mocniejszy wiatr.
Wiatrowskaz: Wyznacza kierunek
wiatru i komunikuje się z napędem ustawienia kierunku, aby właściwie ustawić turbinę względem wiatru.
Napęd ustawienia kierunku: Ustawia turbinę frontem do wiatru.
Silnik ustawienia kierunku: Napędza przekładnię ustawienia kierunku.
M ŁODY TECHNIK
Konstrukcja
Œmig³o wraz z gondol¹
generatora jest osadzone na
20 - 40-metrowej wie¿y. Ze
wzglêdów zarówno aerodynamicznych, jak i ³atwoœci konserwacji, o estetyce nie wspominaj¹c, zrezygnowano z wie¿
kratownicowych na rzecz rurowych. Wspó³czesne wie¿e nie
wymagaj¹ stosowania odci¹gów i ziemia wokó³ nich jest
pe³nowartoœciowym terenem
rolniczym, ewentualnie mo¿na je instalowaæ na sztucznych groblach na morzu.
Turbina ma œrednicê zbli¿on¹ do wysokoœci wie¿y.
W piaœcie s¹ osadzone trzy (lub
dwie) aerodynamicznie ukszta³towane ³opaty, których k¹t nastawienia regulowany jest przez mikroprocesor,
w zale¿noœci od prêdkoœci
wiatru. £opaty mog¹ ustawiaæ
siê tak, ¿eby optymalnie wykorzystywaæ wiatr, lub - w razie
huraganu - „w chor¹giewkê”,
aby zbyt szybko wiej¹cy wiatr
nie uszkodzi³ urz¹dzenia.
Piasta turbiny jest montowana na przegubie wahliwym, aby ewentualne wibracje
nie uszkadza³y ³o¿ysk i wa³u.
Ko³pak, przykrywaj¹cy
piastê, przechodzi p³ynnie
w gondolê. W gondoli mieœci
siê wa³ niskoobrotowy, napêdzany bezpoœrednio przez piastê turbiny, przek³adnia podwy¿szaj¹ca obroty i generator,
wytwarzaj¹cy pr¹d. Pr¹d p³y-
³opata
27
2/2005
jak
to
działa
TURBINY WIATROWE
O OSI PIONOWEJ
(VERTICAL AXIS TURBINES, VAWT)
M ŁODY TECHNIK
Turbiny wiatrowe o osi pionowej dziel¹ siê na
dwie podstawowe kategorie: Savoniusa i Darrieus. ¯aden z tych typów nie jest obecnie szeroko stosowany.
Turbiny wiatrowe o osi pionowej s¹ dwóch rodzajów: dzia³aj¹ce w oparciu o si³ê noœn¹ i o opór. Modele oporowe dzia³aj¹ jak wios³o kajaka w wodzie: jeœli
(teoretycznie) przyj¹æ, ¿e wios³o zanurzone w wodzie
porusza siê bez poœlizgu, wtedy prêdkoœæ maksymalna
obudowa przek³adni kajaka bêdzie równa prêdkoœci przesuwania wios³a. To
samo mo¿na powiedzieæ o wietrze. Trzyczarkowe anewiatraka obracana
mometry, stosowane do pomiaru prêdkoœci wiatru, to
wzglêdem wie¿y
turbiny typu oporowego o osi pionowej. Jeœli prêdkoœæ czarek jest dokSCHEMAT AMERYKAÑSKIEGO
³adnie równa prêdkoœci wiatru, urz¹Pod lupą
WIATRAKA „FARMERSKIEGO”
dzenie dzia³a ze wspó³czynnikiem
prêdkoœci koñcówek (tip speed ratio,
Czy elektrownie wiatrowe wytModel do pompowania wody.
TSR) równym 1. Przy TSR powy¿ej 1
warzają prąd o napięciu
Widoczne wykorbienie, korbowód i popychacz.
w grê musi wchodziæ si³a noœna.
230V i częstotliwości 50Hz?
Urz¹dzenia dzia³aj¹ce w oparciu o sinie kablami umieszczonymi w wie¿y do
³ê noœn¹ maj¹ wy¿sz¹ sprawnoœæ.
Niekoniecznie. Elektrownie
transformatora, który zasila sieæ lokaln¹.
Turbina Savoniusa
niepodłączone do ogólnokrajoKa¿da z turbin w sieci lokalnej jest
sterowana w³asnym mikroprocesorem
wej sieci są najczęściej wyposaWynaleziona w Finlandii turbii po³¹czona z komputerem centralnym,
żone w skomplikowany system
na Savoniusa w widoku z góry przyktóry koordynuje ich pracê.
do gromadzenia i stabilizowania
pomina literê S. Jest to turbina typu
Przy projektowaniu i budowie turenergii w lokalnej sieci. Wiatrak
oporowego i obraca siê relatywnie
bin wiatrowych nale¿y wzi¹æ pod uwagê
napędza prądnicę prądu stałego.
powoli, lecz generuje spory moment
wiele czynników, jak np. wibracje, bêd¹ce
Ponieważ może się obracać
obrotowy. Ma³e turbinki Savoniusa
wynikiem przecinania obszaru op³ywu
z różną prędkością pod wpływem
znajdowa³y siê kiedyœ na dachach
turbulentnego za wie¿¹ (w przypadku
różnej prędkości wiatru, wytwawagonów kolejowych i napêdza³y
turbin pracuj¹cych „z wiatrem”, nie „pod
rzane przez prądnicę napięcie
wentylacjê, stosuje siê je do mielenia
wiatr”) przez ³opaty. Np. w 1974 r., naœlajest stabilizowane za pomocą reziarna, pompowania wody itp., lecz
duj¹c sukces amerykañskiego programu
gulatorów napięcia i przesyłane
ze wzglêdu na prêdkoœæ obrotow¹
kosmicznego dziêki zaawansowanym prodo zespołu akumulatorów. Dopieponi¿ej 1000 obr./min nie s¹ najlepjektom niemieckim, in¿ynierowie NASA
ro pobrany z akumulatorów prąd
sze do wytwarzania pr¹du, gdy¿ wyzatrudnieni przy projektowaniu turbin
stały jest zamieniany na prąd
magaj¹ przek³adni, co z kolei utrudwiatrowych zapo¿yczyli plany Ulricha
zmienny (230V 50Hz) w urząnia rozruch.
Huttera. Zastosowawszy w turbinie MOD- dzeniach zwanych falownikami.
Model Savoniusa ma liczne za0 konfiguracjê „z wiatrem” (samonastawAle takiej energii nie można doslety - mo¿na go bardzo ³atwo wykonaæ
na turbina pracuj¹ca za wie¿¹), nie zautarczać do sieci ogólnokrajowej.
we w³asnym zakresie, stosuj¹c jako
wa¿yli w planach przegubu wahliwego
Można za to zasilać w ten spomateria³ puszki, rury lub butelki plaszastosowanego w piaœcie. Ludzie z NASA
sób np. stojące w pobliżu elektikowe, wiadra lub beczki na ropê.
byli zdumieni zarówno ogromnymi naprêtrowni budynki.
¿eniami dynamicznymi, powstaj¹cymi
W elektrowniach lub farmach
Turbiny Darrieus
w piaœcie w momencie, gdy ³opata wchowiatrowych pracujących na potTurbina Darrieus zosta³a opadzi³a w cieñ wie¿y, jak i krótkim ¿yciem
rzeby energetyki zawodowej najtentowana we Francji w 1927 r. Jej
³o¿ysk. 2-megawatowa turbina MOD-1
częściej wykorzystywany jest geautorem by³ Georges Jean-Marie Darz kolei wytwarza³a nieprzewidziane
nerator prądu zmiennego. Taki
rieus, który opatentowa³ w zasadzie
dŸwiêki niskiej czêstotliwoœci, które rezowiatrak kręci się z ustaloną pręddwie turbiny - najpopularniejszy
nowa³y we wszystkich domach na wzgókością obrotową, tak aby generaobecnie typ, tzw. trzepaczkê do piany
rzach i w dolinach wokó³ generatora.
tor wytwarzał prąd zmienny
z zagiêtymi ³opatami, oraz tzw.GiroDopiero MOD-2 by³ modelem zapo częstotliwości 50Hz. O stałą
mill, czyli turbinê typu „H” z prostymi
rojektowanym wy³¹cznie przez NASA,
prędkość obrotową wiatraka dba
³opatami, która mia³a byæ równie¿
a jego nastêpc¹ jest 3,2-megawatowy
układ regulacyjny, który zmienia
stosowana w hydroenergetyce.
MOD-5B, ponadstumetrowy bestia, dziamiędzy innymi kąt nastawienia łoTurbina z ³opatami prostymi
³aj¹cy od 1997 r. do dziœ na wyspie Oahu
pat wirnika. Takie elektrownie
jest jakby odwróceniem pêdnika Voitwytwarzają napięcie 15kV lub
28 na Hawajach.
2/2005
110kV, a więc takie, jakie panuje
w liniach przesyłowych.
UE nakłada na Polskę obowiązek szybkiej rozbudowy energetyki
korzystającej z odnawialnych źródeł energii, w tym z wiatru.
SCHEMAT
TURBINY SAVONIUSA
SCHEMAT TURBINY DARRIEUS
Z PROSTYMI £OPATAMI
ha-Schneidera (p. MT 10/2004), tak jak wiatrak jest odwróceniem œmig³a.
W obu modelach moment na ³opacie, a w rezultacie - ruch, jest efektem powstawania si³y noœnej na
zestawie profili aerodynamicznych, op³ywanych przez
wiatr. Przez to, ¿e wirnik turbiny Darrieus jest napêdzapokrywa
³o¿ysko górne wirnika
odci¹g
³opata
ny dziêki sile noœnej, prêdkoœæ ³opaty mo¿e byæ wiêksza, ni¿ prêdkoœæ wiatru.
Najpopularniejsze (szczególnie du¿e) turbiny Darrieus maj¹ ³opaty w kszta³cie „troposkein” (z Greki „obracaj¹cej siê liny”), czyli takim, jaki przybiera skakanka. Po zastosowaniu w³ókna szklanego (przeci¹gane
z aluminium by³y drogie), kszta³t zosta³ nieco zmieniony.
Ka¿da z ³opat turbiny Darrieus wytwarza maksymalny „ci¹g” (moment) jedynie dwa razy na obrót. Moment obrotowy ma wiêc charakter sinusoidalny (tak,
jak przy peda³owaniu na rowerze). D³ugie ³opaty turbin
z osi¹ pionow¹ maj¹ wiele naturalnych czêstotliwoœci
drgañ, których nale¿y unikaæ podczas pracy. Np. jedna
z dwu³opatowych turbin o mocy 500 kW, mia³a takie
trzy prêdkoœci obrotowe, które trzeba by³o szybko
przejœæ, aby dojœæ do prêdkoœci operacyjnej i kilka
w zakresie operacyjnym, których trzeba by³o unikaæ.
Dobrze zaprojektowana turbina z osi¹ poziom¹ nie powoduje takich problemów.
Turbiny pionowe trudno jest instalowaæ na wie¿ach, w zwi¹zku z tym zazwyczaj instalowane s¹ ni¿ej,
w obszarze turbulentnym i dzia³aj¹ w trudniejszych
warunkach. Aby turbina sta³a pionowo, stosuje siê odci¹gi. Wywieraj¹ one du¿y nacisk na g³ówne ³o¿yska
turbiny.
Firma Sandia Laboratories zbudowa³a 42-metrowy prototyp o œrednicy 34 m i mocy 625 kW do badañ
w Agricultural Research Station w Amarillo w Texasie.
Turbina wiatrowa „Eole” na Cap-Chat, Quebec
w Kanadzie, jest najwiêkszym obecnie przyk³adem
„trzepaczki do piany” - ma oko³o 100 m wysokoœci i 60
m œrednicy. Jej moc to 4MW, lecz pracuje w ni¿szym
zakresie prêdkoœci, daj¹c ok. 2,5 MW.
Na rynku ma³ych turbin wiatrowych, modele
Darrieus z prostymi ³opatami s¹ tañsze, ni¿ „trzepaczki
do piany”. Obecnie dostêpna w handlu jest ma³a turbina Solwind z Nowej Zelandii, zaopatrzona w proste ³opaty. Ma 3 m œrednicy i 2,5 m wysokoœci.
Obecnie w Kanadzie prowadzone s¹ prace nad
turbinami Darrieus do montowania na wie¿owcach,
w celu dodatkowego zaopatrywania biur w pr¹d (wynik ostatnich awarii sieci energetycznych). !
LEKSYKON
piasta wirnika
wirnik
oœ uk³adu
wsparcie ³o¿yska wirnika
tarcza hamulca mechanicznego
sprzêg³o elastyczne
generator
fundament
29
2/2005
konstrukcja noœna
M ŁODY TECHNIK
zastrza³
Sprawność – to miara zdolności urządzenia, organizmu lub
procesu do przekształcania jednej postaci energii w inną.
Wrażana jest w jednostkach bezwzględnych, lub procentach. Z zasady zachowania energii wynika, że sprawność
dla dowolnej formy energii użytecznej nie może być większa od jedności (czyli 100%). Patrząc na to inaczej: suma
sprawności dla różnych form energii wyjściowej musi być
równa jedności.
Siła nośna – siła aerodynamiczna zwrócona przeciwnie do
siły grawitacji, pozwalająca na wznoszenie obiektów, ich lot.
Powstaje w wyniku przepływu powietrza wokół odpowiednio ukształtowanego płata, co powoduje wystąpienie różnicy ciśnień po obu jego stronach.
Opływ turbulentny – (burzliwy) - występuje gdy przedmiot
jest opływany nieuporządkowanym strumieniem powietrza
lub cieczy. Występuje samorzutnie przy dużych prędkościch lub za zakłucajacymi przepływ przedmiotami.
Ustawienie „w chorągiewkę” – siła aerodynamiczna zwrócona przeciwnie do siły grawitacji, pozwalająca na wznoszenie obiektów, ich lot. Powstaje w wyniku przepływu powietrza wokół odpowiednio ukształtowanego płata, co powoduje wystąpienie różnicy ciśnień po obu jego stronach.